作者:李伟 陈曦 李秀辉 来源:中国科学报 发布时间:2018/5/14 10:36:52
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陈国良:直挂云帆济沧海

 

■李伟 陈曦 李秀辉

陈国良(1934年—2011年)

陈国良,1934年出生,江苏宜兴人。1955年毕业于北京钢铁学院(现北京科技大学)。1979~1981年在美国哥伦比亚大学做访问学者,1989~1990年在美国田纳西大学和德国马普所做高级访问学者。历任北京钢铁工业学院高温合金教研室副主任和主任、材料科学与工程系主任,新金属材料国家重点实验室主任。曾任北京科技大学新金属材料国家重点实验室学术委员会主任,校学术委员会副主任,教育部科技委委员,材料研究学会顾问、理事。在高温合金、金属间化合物新型结构材料、块体金属玻璃材料、高温部件寿命估算等先进金属材料领域取得重大成果。从教五十余载,培养了大批材料学科人才。1999年当选为中国工程院院士,2005年当选美国金属学会会士,2009年获得何梁何利科学与技术进步奖。

陈国良于1934年出生于江苏宜兴。父亲陈泽南毕业于复旦大学,持有中文和英文两个专业的毕业证书,任职银行业。陈国良自幼就受到良好的家庭熏陶和教育,小学时就读于以“温诚勤朴”为校训,严格要求学生的上海务本小学(现上海市黄浦区卢湾二中心小学)。初高中时代,在无锡私立江南中学(现无锡市江南中学)度过。许岱云、冯友兰等一大批名师曾经到校任教。1951年,时年18岁的陈国良考上天津大学(北洋大学)冶金系。1952年随国家院系调整,进入清华大学金相热处理专业、北京钢铁学院金相热处理专业学习。优质的教育,贯穿了他成长的青少年时代,为他日后的成才打下了坚实的基础;时代和生活的变迁,更让他萌生了走科技救国道路的雄心壮志。

创建北科大高温合金专业

——传道授业解惑

1959年,中苏关系破裂,一夜之间,苏联专家全部撤出。新中国的航空航天事业才刚刚起步,就遇到了严峻的考验。航空航天事业急需高温材料,新中国急需自己高水平的材料科学家。1960年,冶金工业部紧急下达指令:北京钢铁学院马上组建高温合金专业。当时材料系金相教研室最年轻的教师、1955年才毕业留校的陈国良,受命领衔成立高温合金教研室。他二话不说,带着几个刚毕业的比自己还要年轻的教师,日日夜夜地泡在图书馆、实验室,查资料,做笔记,编教材,做实验,现学现卖,创立了北京钢铁学院高温合金专业,为研究和培养人才奠定了宝贵的基础。

20世纪80年代,陈国良担任材料系的主任。他以发展、创新的眼光,提出并实践本科生与研究生培养并重的发展思路。在他的倡导和努力下,材料系将当年的研究生招生计划从30名扩大到50名。1985年,全国共有67所院校的本科毕业生报考北京钢铁学院材料专业研究生。研究生培养规模的扩大,为学科的大发展奠定了坚实的基础。材料系的科研方向由冶金部比较单一的以钢铁为主转变成包括先进金属材料及制备技术等多个方向,此种转型的成功,使材料系仅一个系就拿到1987年国家第一批“863”计划中的12个项目,扩大了学校原有的材料专业优势。在1987年的全国材料专业评比中,获得材料学科第一名的好成绩。

“根深叶茂常青藤,高飞远眺万重山”是陈国良培养高质量学生的独到的标准。前一句说的是要打好基础,拓宽知识面,要有长期提高的能力;后一句讲的是要有精英素质,有更高的志向、更宽阔和长远的眼界、更强的攀登高峰的使命感。

他认为,讲课只是解决人才问题必备的基础教育,精英人才需要的是名师带高徒式的精心培养。他指导的博士论文有多篇获得校优秀论文奖。他的博士研究生的论文被评为全国百篇优秀论文,实现了北科大在此奖项中“零”的突破。

陈国良认为,培养出精英人才、指导出优秀博士论文是师生有效合作的成果,导师主导,学生主动,要发挥两方面的积极性。师生合作的有效度是培养精英人才和优秀博士论文的基础。达到有效合作的具体做法不能千篇一律,要因人而异,因材施教,但导师要深入到博士生的学术研究工作中去,这是发挥主导作用的基础。他身先士卒,总是尽可能参加学生的科学实践。尽管他不可能总在实验的第一线,但他了解实践全过程和重要的节点,发现学生科学实践中的闪光点,并加以深化提高,形成创新亮点。

陈国良特别重视对研究生、青年教师独立工作能力及科研能力的培养。他总结五十多年的教学经验,开办“做研究做学问的经历与体会”系列讲座,将自己多年积累的宝贵经验传授给学生。在指导大学本科毕业设计过程中,针对学生没有科研经历和动手能力差等问题,耐心细致、不厌其烦地为学生讲解,从所学的专业知识到科学研究思路、过程、实现课题目标的手段等等,无所不至。在中国材料名师讲坛中,陈国良以“遵循科学发展观,不断开辟领域新方向,重要的创新性工作和几点体会与思考”为题,深刻分析了专业领域的发展规律,联系自己亲身经历,提倡工作创新,到场的学生无不感受到名师的风采。

开辟高温合金研究和应用的新方向

——急国家之所急

20世纪70年代中期,随着国家石油化工业的发展,用石化烟气带动涡轮发电技术逐渐兴起。而首次生产出来的烟气轮机涡轮盘,运行不久就发生了重大的爆裂事故,迫使此项技术研究不得不停顿下来。两年后石化部门重整旗鼓,慕名找到陈国良。那时中国大学教授科研工作的常态大多是查文献,做实验,写文章。面对国家需求,陈国良放下思想包袱,大胆闯先,走上了科研急国家需求所急,解决生产实际问题之路。石油部慎之又慎,三个老总亲自听陈国良做技术可行性分析报告。陈国良立下两条军令状:一是工厂生产的涡轮须经他亲自签字才能上机使用;二是如果在使用中出现爆裂,拿他是问。这件事连当时权威专家都替他捏了把汗,而陈国良却以严谨创新的态度,将高温合金研究工作中的多项科研成果,融入到发展大型轮盘产品的研制实践中,在GH132合金研究中发展了铁基合金相分计算方法,通过控制合金成分、改善组织和性能的长期稳定性,防止使用过程中发生脆化,显著提高了产品的科技含量和质量水平,使涡轮寿命从600小时提高到10万小时以上,为烟气轮机的安全运行提供了科学保证,使我国石化工业能量回收技术达到国际先进水平。该成果于1990年获得国家科技进步奖二等奖。

与国外烟机热端部件选材相比,陈国良主持研制的轮盘用材,把国外的三个级别的高温合金简化为两个级别,实验证明这样选材是正确而且独具特色的,简化选材的级别有利于稳定产品质量。在陈国良的主持下,根据国外最新技术条件,吸收烟机设计单位、生产厂的多年设计和生产经验,形成了一套完整的国内烟机热端部件选用技术条件,对稳定产品质量发挥了重要作用。

1980年9月,由冶金工业部、航空工业部和中国科学院共同组成的10人代表团首次参加在美国匹兹堡七泉山召开的第四届国际高温合金会议。会议评选陈国良代表北京钢铁学院和上钢五厂、上海钢研所合作完成的《铁基合金中晶界σ相和μ相引起的晶界脆性》论文为本次会议的最佳论文。许多国外专家认为,极微量的晶界脆相(0.1%~0.2%)集中在晶界析出可以引起严重脆性这一问题可以通过中国专家研究的铁基合金相计算及控制晶粒大小等措施来加以解决,中国专家的研究非常重要和系统。

七泉山下传来的佳音,在国内引起了强烈的轰动。第四届国际高温合金会议是我国高温合金界首次出国参加的国际会议,标志着我国高温合金界开始进入国际学术交流领域。此次获奖赢得了国际上对我国冶金及高温合金发展的了解和尊重,产生了巨大影响。

研制出高温高性能高Nb-TiAl合金

——具有里程碑意义

钛铝合金是当代航空航天、兵器工业以及民用工业等领域有前景的新型轻质高温结构材料之一,具有重要的工程化应用潜力。20世纪80年代中期,陈国良站在国际学术前沿,用创新和发展的眼光来发展钛铝金属间化合物高温材料,以全新的思路和广泛的基础研究发展出高铌钛铝合金。以他为首的研究小组在“863”“973”和国家自然科学基金的资助下,经过20年艰苦的开拓性研究,在国内外首次成功研制出具有我国知识产权的高温高性能高Nb-TiAl合金,发表了多篇论文,得到十余项高Nb-TiAl合金专利,获得一项部级科技进步奖一等奖,三项部级科技进步奖二等奖。钛铝合金国际会议主席美国的Y.W.Kim博士对此给予了很高的评价,他说这是发展高温高性能钛铝合金的“首例”。2005年,他提名陈国良为美国金属学会会士(ASM Fellow),并在写给美国金属学会的推荐信中强调指出,陈国良在铌提高钛铝合金抗氧化性和高铌相关系方面作出了原始性创新,高铌钛铝合金对推动钛铝合金的发展具有“里程碑”意义。

高Nb-TiAl合金研究突破传统的技术路线,选择具有简单晶体结构、有希望的钛铝合金作为基础,将高熔点元素铌作为一个组元引入,形成Ti-Al-Nb三元系金属间化合物合金,提高合金的熔点和有序化温度,以此提高高温性能;保持了钛铝合金的简单晶体结构,又利用钛铝基合金易于通过形变热处理及热处理改善组织、提高塑性这一特点,解决了合金的脆化问题。

在对Ti-Al-Nb三元系金属间化合物、相结构、密度—成分、抗氧化性能一成分、力学性能—成分关系等进行系统深入研究的基础上,测定了Ti-A1Nb三元系的相图和一系列性质一成分图,为开发出具有不同优异性能的、满足不同需要的Ti-A-Nb三元系金属间化合物合金提供广泛的理论基础;开发出了具有我国知识产权的、高温强度很高、有优异抗氧化性能的低密度高温结构Ti-Al-Nb三元系金属间化合物合金。

在国际金属间化合物研究处于低潮时,以陈国良为首的研究小组坚持和发展学术方向,在大量自身原创性工作的基础上,解决了材料向工程化产业化推进过程中的关键问题。在国家科技计划的支持下,继续向国际学术前沿推进,提出新一代高温高性能高Nb-TiAl金属化合物合金的新颖设计思想;继续在高Nb-钛铝合金领域保持国际领先地位;开创性地发展了高温TiAl工程合金;拓展了高Nb-TiAl合金新的研究方向,包括超高耐锌腐蚀Nb-TiAl金属间化合物和新型高性能金属间化合物多孔材料,并致力于推进Nb-TiAl合金的更广泛应用。

开拓块体金属玻璃(非金合金)结构研究

——建立新的理论体系

20世纪80年代末,诞生了块体金属玻璃,它的出现使玻璃合金由过去单一的功能材料向集优异的物理、化学与力学性能于一体的功能结构材料的方向发展,同时还为材料科学和凝聚态物理研究开辟了非常重要的方向。陈国良敏锐地认识到了块体金属玻璃的重要性,迅速组织了一个研究小组开展这方面的研究,成为当时国内最早开展块体金属玻璃研究的几个单位之一。研究小组从研究金属玻璃原子结构入手,提出了多元短程序畴过冷理论和非晶合金非完整有序结构模型,将预测金属玻璃形成能力的理论准则与玻璃合金中的短程有序结构联系起来,成为一个完整统一的理论体系。这个理论首次在第一届国际非晶会议上提出,即得到了国外学者的好评。在建立金属玻璃非完整有序结构模型之后,他又进一步开展了金属玻璃合金中自由体积的理论计算工作。自由体积的存在对玻璃合金的形成、结构弛豫和变形机制都是极其重要的。陈国良带领他的学生,提出了一个原子尺度自由体积的新的计算方法,并把自由体积与短程序在原子结构尺度上结合起来,进一步阐明了非晶合金原子结构特征。在金属玻璃领域,陈国良还提出了纳米晶生长的原子机制,并利用实验和计算模拟的方法得到了理论实验验证。陈国良在重视金属玻璃结构理论方面研究的同时,还特别关注金属玻璃及其复合材料的制备技术的研究和开发。在他的指导下,国家重点实验室先后发明了非晶合金定向多孔材料、非晶合金复合材料连续包覆丝技术和非晶合金微加工新技术等多项成果。

块体非晶合金所表现出来的优异性能及其对基础科学问题研究的重要性,使之成为最近20年来国际上研究的热点。现在,世界上有多所著名的大学和国家实验室先后开展这项研究。为了使我国在该项研究保持世界先进水平,陈国良不仅带领自己的研究小组开展工作,还努力推动我国在该领域的研究工作。他组织了我国第一个块体金属玻璃的“九五”“十五”、“863”大块金属玻璃结构材料研究项目,“973”重大基础研究项目和军工配套项目等。他倡议在中国组织块体金属玻璃国际会议,在中国材料研究学会全国材料研讨会上设块体非晶合金专题,发起成立了中国材料研究学会金属间化合物与非晶合金分会,被推选为分会首任理事长,并成功举办了块体金属玻璃为主题的香山科学会议。通过这些工作,有效地提高我国在该领域的研究水平。

开发Fe-6.5%Si冷轧薄带

——创新基础研究

硅钢是一种重要的软磁材料,是发展电力和电讯工业的基础材料之一。硅钢因为生产困难、功能特殊、附加值高,素有“钢铁工艺品”之称。含硅量为6.5%的高硅钢,更是这些“工艺品”中制造难度极大的一种。2008年,陈国良团队经过十多年的研究,成功地开发出Fe-6.5%Si高硅钢冷轧工艺,制备出高质量和高性能的冷轧高硅钢薄带,获得了教育部的技术发明奖一等奖。

20世纪90年代中期,为了提高高硅钢的加工性能,陈国良从解决Fe-Si合金中金属间化合物的本征脆性和环境脆性入手,系统研究了Fe3Si基合金的环境脆性,发现合金中的硅元素同环境中的水汽和氧气在极低的暴露量下即可发生表面化学反应,生成[H]固溶原子向合金体内扩散,降低了Fe3Si基合金的力学性能和断裂韧性。根据环境脆性的机理,他提出在合金设计时考虑添加微量合金元素,并通过热处理工艺改善微观组织结构等五个方面的措施,逐步降低金属间化合物的环境脆性,逐步提高材料的脆韧转变温度和室温塑性。由此,发现合金元素的添加对Fe-Si合金的塑性有显著的作用,明显改变合金的韧脆转变温度。他进一步研究了Fe-Si合金中有序相的相变规律,不仅发现这些有序相的本征脆性与结构的有序度密切相关,而且发现了形变诱导无序化及有序恢复现象。Fe-Si合金中的基础研究成果直接为后来生产工艺的开发奠定了基础。在此基础上提出了开发冷轧Fe-6.5%Si高硅钢的总体思路:发明一种新的高硅钢合金成分和一种创新的连续轧制工艺,系统研究了Fe-6.5wt%Si合金的塑性和组织结构在各工艺阶段的变化。成功制备出0.03亳米厚的Fe-6.5wt%Si合金冷轧薄板,使该薄板获得了优良的综合力学性能和软磁性能,达到了国际先进水平,其生产工艺及成本则大大优于国外技术。

求实创新是陈国良做学问、搞研究的终极目标。陈国良认为,勤学多思,才会有更多的创新。他以郑板桥“删繁就简三秋树,领异标新二月花”作为做学问的座右铭。“删繁就简三秋树”是说要抓住基础、核心;“领异标新二月花”是要自主创新。他说,要切忌浮躁和短期功利行为,要强调在实践中求实,在严谨中创新。一流的大学教师,必须有严谨创新的学风,要以身作则,通过言传身教使整个校园具有严谨创新的氛围。

(作者单位:北京科技大学)

①1979年,陈国良在美国哥伦比亚大学做高级访问学者。

②1979年冶金部第一批高级访问学者在美合影,左三为陈国良。

③1991年第七届高温年会,陈国良主持开幕式。

④2003年,陈国良(后排左一)出席巴西高温应用铌国际研讨会并作特邀报告。

⑤2010年学术委员会议上,陈国良(右一)与师昌绪院士、黄伯云院士交流。

因势而谋 顺势而为

——感悟陈国良院士的治学之道

■李伟 惠希东 陈曦

2001年教师节前夕,作为北京科技大学校报记者,我们采访了陈国良院士。

凉爽的初秋,阳光透过窗外绿色的爬墙虎撒向陈院士的办公室。我们聊了整整一个上午。那时的陈院士,大病初愈,但精神矍铄。

采访始终围绕陈院士的科研工作。当时陈院士最重视的,同时也是国际上最热门的大块非晶合金研究也自然成为我们的主要话题之一。

1999年,正是国内大块非晶合金研究刚刚起步之时,陈院士以他敏锐的洞察力感觉到这是一个热点,于是招兵买马,大干起来。当时,国际上做大块非晶合金研究最好的有两个小组:一个是加州理工学院的W. H. Johnson研究组,该小组的前身是非晶研究的鼻祖Duwez领导的亚稳材料小组;另一个是日本东北大学的A. Inoue小组。两个小组一个有深厚的非晶研究底蕴,另一个则有雄厚的财力和先进的仪器设备。陈院士把几个年轻助手叫到他的办公室,问大家准备怎么着手,因为当时研究条件比较差,大家信心不是很足。陈院士说,我们每做一件事情,一定要想办法超过别人,不要老是跟在别人的后面跑,可是我们又不能硬拼。日本方面经费充足,人员众多,他们可以在很短的时间内做出几百个甚至上千个样品,如果纯粹炒非晶的成分配方,我们不能望其项背。美国方面在实验和理论研究上都超强,在应用上更不差,1999年的时候,他们就将非晶做成了穿甲弹的弹心,并且成立了Liquid Metal公司。陈院士认为,由于大块非晶合金所含元素多,所以如果没有理论指导,纯粹炒菜式摸索新成分是不行的,还是要找一个理论突破口。经过反复思考,陈院士最终确定,从大块非晶合金的结构入手,找到非晶结构与形成能力的联系,返回来再设计非晶成分。

陈院士高屋建瓴的分析,使研究小组茅塞顿开,信心大增。按照陈院士的思路,大家很快开展了非晶态合金多元短程序的研究。2000年初,研究工作完成了部分工作,恰逢第一届大块非晶合金国际研讨会在新加坡召开,陈院士在会上作了一个关于非晶合金短程序结构的邀请报告,回来后兴奋地对课题组人员说,他的这个报告在会上讨论相当热烈,Johnson教授和Inoue教授都很感兴趣,美国空军的Miracle博士直接提出来要开展合作研究。陈院士介绍的这些情况,更加坚定了进一步在多元短程序畴与非晶的形成能力的联系上进行理论和实验研究的信心。到2002年3月,研究组已基本建立了非晶态合金多元短畴过冷程序理论的雏形,并于4月份在中国台湾基隆召开的第二届大块非晶合金国际研讨会上正式宣布。

非晶合金有序结构普适规律的研究工作,起初也发端于陈院士的一个发现,即非晶结构是由非完美的晶体结构排列加上无序排列的原子所构成,也即所谓非完美有序堆积。为了证实这个想法,陈院士专门带着他的博士做分子动力学模拟,陈院士在计算机上亲自分析,有些图甚至自己去画。关于这方面的进展,陈院士在2004年全国非晶合金研讨会上作了更深入全面的阐述。在此后短短几年的时间里,课题组在非晶合金局域有序结构研究方面又取得了新的成果,先后在《应用物理快报》和《材料学报》等国外知名杂志上发表了多篇论文。

2007年后,陈院士在非晶合金结构方面投入的精力更多了。他心里有一个对非晶结构研究的宏伟工作蓝图,就像他心中的太阳一样,引导着他不停前行。每个星期他都要固定一天召开课题组讨论会,并且专门请当时在香港理工大学担任杰出科学家的C.T.Liu教授来讨论,历时半年,终于在2009年香山科学会议期间找到了答案,这就是非晶合金的结构是球周期结构与平移对称结构相结合的产物。他将这种模型称之为非晶结构的普适模型,这一理论发表于2010年的《物理评论快报》上。审稿人在评审此工作时写道:“这项工作是对非晶合金结构研究的一个重要贡献。”寥寥数语,反映了陈院士整整十年来对非晶合金结构孜孜不倦的探索,也是对他在科学研究领域辛勤耕耘的最大肯定。

因势而谋,顺势而为,致知在格物,这是采访中我深深体悟到的陈国良院士的治学之道。

《中国科学报》 (2018-05-07 第8版 印刻)
 
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